从1840年起，焦耳开始研究电流的热效应，不久与俄国的著名物理学家楞次各自独立发现了焦耳－楞次定律，为揭示电能、化学能、热能的等价性打下了基础，敲开了通向能量守恒定律的大门。
1843年，焦耳钻研并测量了热和机械功之间的当量关系与热功当量，为热运动与其他运动的相互转化，运动守恒等问题，提供了无可置疑的证据，他也因此成为能量守恒定律的发现者之一。这是焦耳一生最重要的贡献。
尽管有许多无可辨驳的事实，但当焦耳用论文宣布热是一种能量交换的形式时，一些大科学家都表示怀疑和不信任，认为各种形式之间的能量转换是不可能的，为此他多次受到科学界的冷遇。但是，焦耳并没有屈服，他以百折不挠的精神继续做实验，找数据。直到1850年，在其他的科学家用不同的方式得到了与焦耳结论相同的能量守恒和转化定律时，焦耳的科学成果才最终获得了科学界的公认。
1850年焦耳被选为英国皇家学会会员，1889年10月11日焦耳在塞尔逝世，终年71岁。为了纪念他对科学发展的贡献，国际计量大会将能量、功、热量的单位命名为焦耳。恩格斯把他的“由热的机械当量的发现（迈尔、焦耳和柯尔丁）所导致的能量转化的证明”列为19世纪下半叶自然科学三大发现的第一项。
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